井筒聽診器技術在川南頁巖氣田的應用研究

胡俊杰，周小金，周拿云，王怡亭，黃永智，徐穎潔

中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院

0 引言

壓裂實時監測技術是壓裂配套技術的前沿研究之一，目前常見的有微地震監測技術、廣域電磁法監測技術、分布式光纖監測技術等。這些技術可實時監測水力裂縫的延伸軌跡，對壓后裂縫改造效果進行評估，但同樣面臨一些難題，例如工藝造價高且處在階段試驗階段、未能實時指導決策、數據采集和處理耗時相對較長等。因此，目前亟需一種可實時解釋且精度較高的井下診斷技術[1- 3]。

2018年至今，井筒聽診器工藝已在國內外多個常規、非常規油氣田推廣應用，國內鄂爾多斯盆地致密油、致密氣區塊累計應用超過250井次，四川盆地頁巖氣井累計應用超過30井次。井筒聽診器技術是利用高頻壓力信號采集系統及倒頻譜解釋算法，通過監測停泵或降排量下的水擊壓力波動，可以現場快速采樣拾取并解釋壓裂過程進液點位置，從而確定射孔簇的改造情況。通過現場應用，論證了井筒聽診器技術在川南頁巖氣水平井壓裂改造工藝評價、設計優化與改進等方面均取得較好的應用效果。

1 井筒聽診器工作原理

井筒聽診器技術是一種非干擾的實時監測技術，通過采集壓裂施工過程中水擊震蕩變化而產生的壓力波信號，對高頻壓力信號作去噪處理，然后基于貝葉斯統計的管路波速模型的識別信號源激發的波的頻率與波速，從而有效定位信號源深度[4- 5]。壓裂施工過程中壓力是持續記錄的數據，停泵后被記錄下的壓力震蕩被稱為水擊現象。水擊現象是由管路中的壓力波從井底到井口來回往復形成，通常在壓力震蕩全部衰減前，壓力計能夠采集到部分周期性的壓力震蕩產生的壓力信號，則可以對這段水擊壓力信號進行反算，從而獲取進液點深度，即“倒頻譜分析”[6- 7]。通過進液點深度數據，可以在不同工程應用場景判斷未充分改造井段是否需要進行二次封隔措施或者調整改造規模，從而實現壓裂資源的有效配置。

井筒聽診器利用地面壓力計采集高頻壓力波信號，過濾噪音獲得有用信號，有用信號可分為壓力源脈沖信號和井筒反射波信號，通過逆頻分析抽取出反射信號，只要知道水擊周期與波速，就可以計算出進液點的位置。再采用優化算法及對歷史數據進行修正，縮小頻域的不確定性。最后將實際與預測數據結果進行比較，并迭代校正全部波速與頻率計算結果，保證評價結果與進液點位置的準確性。

圖1 井筒聽診器工作原理示意圖

井筒聽診器技術處理流程：

(1)信號采集：通過高頻壓力信號采集器獲取超200點/s的數據，保證分析結果的精確度。

(2)信號過濾：采集的高頻原始壓力信號進行時域噪聲過濾及頻域不確定性處理，進而獲得有用信號。

(3)信號處理：根據流體性質、壓力、溫度及井筒參數，通過優化算法迭代獲取準確的壓力信號。

(4)解釋與評價：通過快速的數據采集與計算實現實時解釋，通過嵌入Techlog平臺的WWS插件進行解釋結果可視化呈現，幫助快速現場決策。

2 現場試驗過程

2.1 現場監測方案設計

對于常規頁巖氣水平井壓裂，井筒聽診器技術采用四次停泵監測方案；對于頁巖氣改造監測，由于排量、加砂量等施工參數和作業規模不同，該方案已不再適用。頁巖氣改造監測的主要風險點在于多次大排量急停泵可能對套管產生強沖擊作用、多次停泵影響施工效率、井筒承壓挑戰較大等[8]。

針對川南頁巖氣水平井改造方式的特點，按照不同的施工設計進行差異化設計，避免多次停泵對套管產生沖擊作用，同時確保對段間封隔、暫堵效果的逐級評價；優化停泵方式，采用二段式停泵，避免大排量急停的沖擊。為保證水擊數據質量，停泵時排量逐步降低至4 m3/min，持續3 min后瞬時停泵，測水擊并監測壓降3 min。

對于無暫堵壓裂段，在前置液階段增加停泵一次，用于評價橋塞段間封堵效果以及加砂階段是否會發生進液位置改變；對于單次暫堵壓裂段，兩次頂替停泵各采集一次水擊壓力信號，用于評價暫堵前后的改造進液位置是否改變；對于兩次暫堵壓裂段，采集三次停泵水擊壓力信號，依次評價各次暫堵前后的改造段是否改變。

2.2 監測數據采集情況

應用井筒聽診器技術對川南5口頁巖氣水平井壓裂獲得的進液點覆蓋程度進行監測，結果顯示完井改造取得了較好的效果，暫堵之后目的段均取得了較高的進液點覆蓋率。試驗過程中共采集停泵壓力信號229次，其中有效水擊信號214次。水擊數據信息情況匯總見表1。實際監測過程中，隨工況的不同，監測井頂替停泵后得到不同的水擊曲線圖，其中圖2(a)為超壓停泵后的無水擊現象，圖2(b)為電驅壓裂泵停泵后排量滯留導致信號噪音干擾的水擊現象，圖2(c)為質量良好的水擊現象。

表1 頁巖氣水平井壓裂停泵水擊信號采集

圖2 停泵后水擊現象示意圖

3 現場試驗效果評價

3.1 常規頁巖氣水平井壓裂工程方案評價

以N30- 1、N30- 3、Y4- 3井為例，根據常規頁巖氣水平井壓裂工程方案設計要求，平均壓裂段長65～75 m，主體每段11簇射孔，簇長0.5 m，孔密8 孔/m，總孔數44孔，主體施工排量14～16 m3/min，設計單孔流量約0.32～0.36 m3/孔。待完成壓裂后，通過監測的工程參數與測井數據對比可知，在地質方面，水平主應力仍是影響起裂位置及覆蓋率的主要控制因素。在其他工程參數相同情況下，低應力甜點位置優先起裂。各簇應力差距較小時，傾向于發生多簇起裂，形成較好改造覆蓋度與儲層動用。結合最大和最小水平主應力成果解釋發現，每口井段內應力差距較大時，即使進行多次暫堵壓裂，進液位置始終集中于低應力地區，高應力區并未得到有效改造。因此，應力差距較大時，通過提高排量、暫堵等工程手段，可能也較難實現全段有效改造。

基于此種認識，在應用水平井應力計算成果時，除巖性因素外，應結合地質認識，綜合考慮構造因素影響產生的應力變化，并在施工壓裂時結合施工壓力、停泵壓力等因素相互驗證并實時調整。

在水平井分段時，除考慮儲層物性外，應重視完井質量，將應力條件接近的儲層合并分段，有利于提高改造覆蓋度。段長較短的局部極低應力、極高應力的潛力儲層段可采取單段加密改造，避免因段內應力差較大而造成加砂困難。

在分段優化之后，通過提高實際單孔流量至0.38～0.41 m3/孔，并應用暫堵多段壓裂，根據監測結果顯示目的段均取得了較高的進液點覆蓋率。當單孔流量遠低于0.3 m3/min時，監測結果發現開啟簇數明顯較少，應該進行多次暫堵壓裂，確保射孔簇開啟率。當單孔流量遠高于0.4 m3/min時，井底流壓顯示較高，應注意選用合適的橋塞封隔工具，避免高負荷承載下發生橋塞滑脫的情況。因此，壓裂設計單孔流量應在0.3～0.4 m3/min，同時綜合考慮段長適用設計二次、三次暫堵壓裂，能夠提高起裂簇數與儲層覆蓋度。

3.2 套變頁巖氣水平井壓裂工程方案評價

基于2口套變頁巖氣水平井成果解釋，當發生套變，導致常規橋塞工藝實施較為困難時，使用連油填砂+暫堵壓裂改造方案能兼顧套變井改造效果與降低施工風險的目的。以Y3- 6井為例，根據井筒聽診器監測成果圖3可以看出，進液點位置(藍色云圖)發生改變，表示成功暫堵后新簇起裂。第7段、第8段填砂+暫堵壓裂能夠起到較好的壓裂改造效果，投注暫堵球和暫堵劑后，整體改造覆蓋度較高。但第9段、第10段合壓段長較長時，經過多次改造后，仍然監測到未動用儲層段。第9段設計段長450 m，射孔46簇，總孔數138孔，施工排量14 m3/min，而第2次改造暫堵停泵后并未采集到進液信號，疑似未充分改造。測井資料顯示第9段段內應力差距較高，說明在長段進液簇數較多的前提下，少量暫堵雖可以改變簇間排量分布，并不足以形成足夠壓差克服地層應力差。同時，長段多簇壓裂的較長作業時間，也對可溶暫堵材料的耐溫性能和長時間封堵性能帶來了挑戰。第10段優化增加了不同次改造之間的暫堵球數量，長段多簇合并改造獲得了預期效果。

圖3 Y3- 6井長段合壓井筒聽診器監測成果圖

H1- 1井實施套變頁巖氣井合并改造工藝，井筒聽診器監測成果見圖4，第7段由于砂塞濃度較低，導致封隔不嚴，第8段進液點深度位置仍在前一段，證明第8段壓裂改造疑似串通第7段。所以，在段間填砂階段，應盡量提高砂塞濃度，確保填砂對前一段的封堵效果，避免出現段間封隔失效。

3.3 暫堵方案與工程工序評價

由于頁巖氣井壓裂改造規模大、排量高，經過壓裂改造后，主縫孔眼磨蝕情況較為嚴重，因此僅憑小粒徑的暫堵劑顆粒無法對磨蝕后的射孔孔眼進行填充封堵。在該種情況下，需要通過大直徑暫堵球與暫堵顆粒聯合使用的方式，才能取得較好的暫堵效果，其技術邏輯為大直徑暫堵球在磨蝕后的射孔眼內進行填隙，然后暫堵劑顆粒在暫堵球周邊進行充填橋堵，實現對射孔孔眼的暫堵效果[9- 10]。因此，在壓裂施工過程中，采用大直徑暫堵球先入井，暫堵顆粒尾追的形式進行暫堵，監測結果發現整體覆蓋度較高。

同時，當前泵送暫堵劑顆粒的主要方式為混砂車投料，由于頁巖氣施工排量較高，在該工藝形式下，入井的暫堵劑總體積較大，濃度較低，不利于形成有效的暫堵，而且當暫堵劑總體積過大時，舊裂縫被封堵后，井筒中仍然有大量暫堵劑，可能會影響新裂縫起裂，甚至堵死新裂縫，不利于暫堵工藝目的的實現。針對這一情況，現場選用高壓管線預裝暫堵劑，提高濃度縮小體積，降低推送排量，加強暫堵封堵的針對性。

圖4 H1- 1井長段合壓井筒聽診器監測成果圖

在暫堵材料篩選方面，優化暫堵顆粒的粒徑配比設計，從幾種單一粒徑的暫堵顆粒向多種顆粒級配的暫堵材料升級，能夠有效提升暫堵顆粒本身的橋堵與封堵性能，也在試驗過程中得到有效驗證。

4 結論

(1)井筒聽診器技術豐富了頁巖氣壓裂的評價手段，通過實現段內進液點位置的實時監測和定量測量，對段內多簇起裂效果進行有效評估，為現場提供輔助決策，在川南頁巖氣井區具有較強的適應性和經濟性。

(2)針對常規頁巖氣水平井，建議設計單孔流量在0.3～0.4 m3/min，同時綜合考慮段長、優化暫堵次數，壓裂即可實現較高的開孔率。單孔流量遠高于0.4 m3/min，應注意選用合適的橋塞封隔工具，避免高負荷承載下發生橋塞滑脫的情況。針對套變頁巖氣井長段合并改造時，盡量提高單孔流量并配合多次暫堵。單孔流量低于0.3 m3/min時，開啟簇數較少，建議配合多次暫堵和現場實時調整。由于地應力差限制因素，合并改造段長度應控制，并通過填砂、砂堵等形式確保段間封隔。

(3)單孔流量越大，孔眼沖蝕越嚴重，先投入暫堵球，再跟投注入暫堵劑，能夠提高暫堵材料本身的封堵效果。與單一粒徑材料相比，暫堵劑具有更高的堆積效率，封堵效果也更好。同時，建議改變注入方式，提高暫堵劑濃度，并且降低暫堵劑入地階段排量，提升暫堵劑的完整性與堆積效率。